Prostorová diskretizace. Grafické zpracování

V těch dnech, kdy počítače stále neměly tak silné schopnosti jako nyní, nebylo žádných otázek převádět obrázky na papír nebo na film. Nyní se předpokládá, že tyto objekty odpovídají analogové podobě. S nástupem nových technologií je možné digitalizovat (například pomocí skenerů). Díky tomu se objevila tzv. Diskrétní forma obrazů. Jak je však přenos grafiky z jedné formy do druhé? Stručně o podstatě těchto metod dále a bude řečeno co nejpodrobnější a jednoduše tak, aby každý uživatel chápal, co se říká.

Co je prostorová diskretizace v informatice?

Chcete-li začít, zvažte obecný koncept a vysvětlete jej v nejjednodušším jazyce. Z jedné formy na druhou se grafický obraz transformuje prostorovou diskretizací. Chcete-li pochopit, co to je, zvažte jednoduchý příklad.

Pokud uděláte jakýkoli obrázek namalovaný akvarely, je snadné vidět, že všechny přechody jsou hladké (kontinuální). Ale na naskenovaném obrázku, který byl vytištěn na inkoustové tiskárně, nejsou takové přechody, protože se skládá z mnoha malých bodů, nazývaných pixely. Ukazuje se, že pixel je druh stavebního bloku, který má určité vlastnosti (například má vlastní barvu nebo odstín). Z těchto cihel a celého obrazu se vyvíjí.

Jaká je podstata prostorové diskretizační metody?

Pokud budeme hovořit o podstatě metody transformace grafiky pomocí takových technologií, můžeme dát další příklad, který vám pomůže pochopit, jak to všechno funguje.

Digitalizované obrazy, které při naskenování, které jsou zobrazeny na obrazovce počítače, mohou být při tisku porovnány s druhou mozaiky. Pouze zde se objeví pixel jako jeden kus mozaiky. To je jedna z hlavních charakteristik všech moderních zařízení. Jak už bylo možné odhadnout, tím více bodů a čím menší je velikost každého z nich, tím hladší budou přechody. Nakonec je to jejich číslo pro každé konkrétní zařízení, které určuje jeho rozlišení. V oblasti výpočetní techniky je běžné, aby taková charakteristika počítala počet pixelů (bodů) na palec (dpi - bodka na palec), a to jak ve svislém, tak v horizontálním směru.

Tak vzniká dvourozměrná prostorová mřížka, která se poněkud podobá konvenčnímu souřadnému systému. Pro každý bod v takovém systému můžete nastavit vlastní parametry, které se liší od okolních bodů.

Faktory ovlivňující kvalitu kódování

Ale nejen výše uvedené příklady plně odrážejí fungování prostorové diskretizace. Kódování grafických informací zohledňuje několik důležitějších parametrů, které ovlivňují kvalitu digitalizovaného obrazu. Platí nejen pro samotné obrázky, ale i pro zařízení, která reprodukují grafiku.

Především zahrnuje následující charakteristiky:

• vzorkovací frekvence;
• rozlišení;
• barevná hloubka

Vzorkovací frekvence

Vzorkovací frekvence je velikost fragmentů tvořících obraz. Tento parametr lze rovněž nalézt v charakteristikách digitalizovaných obrazů, skenerů, tiskáren, monitorů a grafických karet.

Je pravda, že je tu jedna chyba. Faktem je, že zvýšením celkového počtu bodů získáte vyšší frekvenci. Současně se však změní velikost souboru uloženého původního objektu. Abychom tomu zabránili, v současné době se uměle udržuje velikost na jedné konstantní úrovni.

Pojem řešení

Tento parametr již byl zmíněn. Pokud se však podíváte na zařízení pro zobrazování obrázků, obrázek se poněkud liší.

Jako příklad parametrů používaných prostorovou diskretizací zvažte skenery. Například v parametrech zařízení specifikované rozlišení 1200 x 1400 dpi. Skenování se provádí přesunem pásky fotosenzitivních prvků podél naskenovaného obrazu. První číslo však označuje optické rozlišení samotného zařízení (počet skenovacích prvků v jednom centimetru pásu) a druhý odkazuje na rozlišovací schopnost hardwaru a určuje počet "mikro-pohybů" pásky se skenovacími prvky v obraze, když jeden palec projde.

Hloubka barev

Máme před sebou další důležitý parametr, bez ohledu na který plně rozumíme, co je prostorová diskretizace. Barevná hloubka (nebo hloubka kódování) je obvykle vyjádřena v bitech (stejně jako mimochodem může být přičítána hloubce zvuku) a určuje počet barev, které se podílely na konstrukci obrazu, ale nakonec odkazuje na palety (sady barev).

Pokud například uvažujeme černobílou paletu, která obsahuje pouze dvě barvy (bez odstupňování odstínů šedé), množství informací při kódování každého bodu je možné jej vypočítat pomocí výše uvedeného vzorce, vzhledem k tomu, že N je celkový počet barev (v našem případě N = 2) a I je počet stavů, které každý bod může mít (v našem případě I = 1, dvě: buď černé nebo bílé). Proto NI = 2 ¹ = 1 bit.

Kvantizace

Prostorová diskretizace může také vzít v úvahu parametr nazvaný kvantizace. Co to je? V některých ohledech se podobá interpolační technice.

Podstatou tohoto procesu je to, že referenční hodnota signálu je nahrazena nejbližší sousední hodnotou z pevné sady, což je seznam úrovní kvantifikace.

Chcete-li lépe pochopit, jak se převedou grafické informace, podívejte se na výše uvedený obrázek. Představuje grafiku v původním (analogové podobě), obraz s aplikací kvantizace a bočního zkreslení, nazvaný šum. Na druhé fotografii shora můžete vidět zvláštní přechody. Jsou nazývány kvantifikační stupnice. Pokud jsou všechny přechody stejné, stupnice se nazývá jednotná.

Digitální kódování

Při konverzi grafických informací je třeba poznamenat, že na rozdíl od analogového signálu může mít kvantový signál pouze velmi specifický pevný počet hodnot. To vám umožní převést je na sadu znaků a znaků, jejichž pořadí se nazývá kód. Konečná sekvence se nazývá kódové slovo.

Každé kódové slovo odpovídá jednomu kvantovacímu intervalu a pro kódování se používá binární kód. Někdy byste však měli také vzít v úvahu rychlost přenosu dat, která je výsledkem vzorkovací frekvence a délky kódového slova a je vyjádřena v bitech za sekundu (bps). Zhruba řečeno, není to nic víc než maximální počet přenášených binárních symbolů za jednotku času.

Příklad výpočtu video paměti pro zobrazování rastrového obrazu na monitoru

Konečně, další důležitý aspekt souvisí s tím, co představuje prostorovou diskretizaci. Rastrové snímky na obrazovce monitoru jsou reprodukovány podle určitých pravidel a vyžadují paměť.

Například monitor je nastaven na grafický režim s rozlišením 800 x 600 bodů na palec a barevnou hloubkou 24 bitů. Celkový počet bodů bude 800 x 600 x 24 bitů = 11 520 000 bitů, což odpovídá počtu 1 440 000 bytů nebo 1406,25 kB nebo 1,37 MB.

Metody komprese videa

Technologie prostorové diskretizace, jak již je zřejmé, je použitelná nejen pro grafiku, ale i pro obrazové obrazy, které lze v jistém smyslu připsat také grafickým (vizuálním) informacím. Je pravda, že tento materiál byl po nějakou dobu digitalizován s omezenými možnostmi, protože konečné soubory byly tak obrovské, že je nepraktické, aby byly uchovány na pevném disku počítače (pamatujte si alespoň originální formát AVI vyvinutý společností Microsoft najednou).

S nástupem algoritmů M-JPEG, MPEG-4 a H.64 bylo možné konečné soubory snížit s redukčním poměrem 10-400 krát. Mnozí mohou tvrdit, že komprimované video bude nižší kvality než originál. V jistém smyslu je to tak. Nicméně v takových technologiích může být snížení velikosti dosaženo se ztrátou kvality a bez ztráty.

Existují dvě hlavní metody, kterými se provádí komprese: intraframe a interframe. Obě tyto možnosti jsou založeny na vyloučení duplicitních prvků z obrazu, ale neovlivňují například změny jasu, barvy apod. Co je v prvním, že ve druhém případě je rozdíl mezi scénami v jednom rámu nebo mezi dvěma přilehlými, nevýznamný, takže rozdíl mezi oči není zvláště patrný. Při odstraňování výše uvedených prvků ze souboru je však rozdíl v velikosti mezi původním a konečným obrazem velmi významný.

Jednou z nejzajímavějších, i když poměrně složitých metod, která prostorová diskretizace používá ke kompresi obrazů, je technologie, nazvaná diskrétní kosinová transformace, kterou navrhl V. Chen v roce 1981. Je založen na matici, ve které, na rozdíl od původní, která popisuje pouze hodnoty vzorků, jsou uvedeny hodnoty rychlosti jejich změny.

Může se tedy považovat za určitou síť kolísání rychlostí ve svislém a vodorovném směru. Velikost každého bloku je určena technologií JPEG a je 8 x 8 pixelů. Komprese se aplikuje na každý blok, nikoliv na celý obraz. Rozdíl mezi zdrojem a koncovým materiálem je tedy ještě méně patrný. Někdy v počítačové terminologii se taková technika také nazývá sub-vzorkování.

Luminance a chromatičnost lze dále aplikovat na kvantizaci popsanou výše, v níž je každá hodnota kosinové transformace dělena kvantizačním koeficientem, který lze nalézt ve zvláštních tabulkách založených na takzvaných psychofyzikálních testech.

Samotné tabulky odpovídají striktně definovaným skupinám bloků seskupených podle aktivity (jednotný obraz, nestrukturovaný obraz, horizontální nebo vertikální rozdíl atd.). Jinými slovy, pro každý blok jsou nastaveny jeho vlastní hodnoty, které se nevztahují na sousedy nebo na ty, které se liší ve třídě.

Konečně po kvantizaci na základě Huffmanova kódu se provádí odstranění redundantních koeficientů (redukce redundance), což umožňuje získat kódové slovo s délkou menší než jeden bit pro každý koeficient (VLC) pro následné kódování. Dále se vytvoří lineární sekvence, pro kterou se použije metoda cikcaku, která seskupuje hodnoty v konečné matrici ve formě významných hodnot a sekvencí nul. Ale stejně, jak mohou být odstraněny. Zbývající kombinace jsou komprimovány standardním způsobem.

Experti většinou neodpovídají kódování grafických informací pomocí technologií JPEG, protože mají několik nevýhod. Za prvé, opakované ukládání více souborů vede vždy k poškození kvality. Zadruhé, vzhledem k tomu, že objekty zakódované ve formátu JPEG nemohou obsahovat průhledné oblasti, je možné tyto metody aplikovat na grafické obrázky nebo naskenované vzorky umělecké grafiky pouze tehdy, když vertikálně a horizontálně nepřesahují velikost v 200 pixelů. V opačném případě bude zhoršení kvality konečného obrazu velmi jasné.

Je pravda, že algoritmy JPEG se staly základem pro technologie komprese MPEG, stejně jako pro řadu konferenčních standardů, jako jsou H.26X a H32X.

Namísto následného slova

Zde je krátký a vše, co se týká pochopení problémů souvisejících s konverzí analogové formy grafiky a videa na diskrétní (obdobně, takové techniky se používají pro zvuk). Popsané technologie jsou pro běžného uživatele poněkud obtížné pochopit, nicméně některé důležité součásti hlavních metod mohou být ještě pochopitelné. Neřešil problém nastavení monitorů, aby získal obraz nejvyšší kvality. Pokud jde o problém, který nás zajímá, lze však poznamenat, že není vždy nutné stanovit nejvyšší možné rozlišení, protože nadměrné parametry mohou vést k poruše zařízení. Totéž platí pro obnovovací frekvenci obrazovky. Je lepší použít hodnoty doporučené výrobcem nebo ty, které operační systém doporučuje používat ve výchozím nastavení po instalaci příslušných ovladačů a řídicího softwaru.

Pokud jde o automatické skenování nebo překódování informací z jednoho formátu do druhého, měli byste používat speciální programy a konvertory, ale aby nedošlo ke snížení kvality, je lepší nechat se unést maximální komprese, aby se zmenšila velikost konečných souborů. Takové metody jsou použitelné pouze pro ty případy, kdy musí být informace uloženy na médiích s omezeným objemem (například CD / DVD disky). Pokud však na pevném disku máte dostatek místa, nebo chcete-li vytvořit prezentaci pro vysílání na velké obrazovce, nebo vytisknout fotografie na moderním zařízení (fotografické tiskárny se nepočítají), je lepší, abyste kvalitu nezanedbávali.